倾转翼eVTOL涡电混合动力传动架构趋势

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从动力传动系统设计解决方案的重量与任务效率Pareto前沿来看，动力传动系统的设计被选择为使整机的最大起飞重量（MTOW）最小化。最大起飞重量是衡量整机整体效率的一个很好的指标，因为它既能反映整机系统的重量，也能反映所需任务所需的燃料。由于倾转翼的两个尾部电机的功率高于机翼电机，因此有必要分别设计尾部和机翼电机传动系统，然后将它们的Pareto前沿结合起来。因此创建了散点图，表示整个发动机的重量和效率的每种组合。使用效率的能量加权平均值来确定每种解决方案的净任务效率。这导致了一个新的Pareto前沿，代表了整机的最佳电机组合。

本文中生产的动力总成模型目前尚未与NDARC中的倾转翼模型集成，这意味着整机MTOW不是动力总成设计的直接产物。为了评估不同动力总成设计对最大起飞重量的影响，使用NDARC对不同电机效率、发电机效率和动力总成重量进行了建模。在调整电机传动系效率的同时，假设发电机传动系具有合理的恒定效率，反之亦然。由于NDARC经验传动系统模型和电机传动系统优化工具之间的差异，这种方法引入了一些不确定性。这项敏感性研究的结果建立了一个设计空间，在这个空间里，可以为任何传动系设计解决方案插值MTOW的近似变化。

在传动系设计过程中，发现最大允许电机半径对直接驱动电机传动系的可实现性能有重大影响。为了捕捉这种敏感性，一组直接驱动和齿轮传动电机传动系统设计在不同的传动系统半径约束下运行。图7显示了每种情况下解决方案的Pareto前沿。所示的轮廓表示每种解决方案的传动系统重量和任务效率的整机最大起飞重量（lbs）的估计变化。齿轮传动和直接驱动电机传动系统在500mm半径约束下实现了类似的性能。较小的半径约束被证明会显著影响直接驱动传动系统的性能。在所研究的范围内，齿轮传动系统对半径相对不敏感，但齿轮传动系统的传动比确实随着半径的减小而增加。

图7基于估计Δ（MTOW）轮廓的半径约束电机传动系解决方案

倾转翼推进旋翼半径为7.33英尺（1.12米）。基准倾转翼设计中的电机半径为170毫米（约占总旋翼半径的15%）。据估计，在堵塞造成的推力损失变得太大之前，225-335毫米左右的电机传动系半径（总旋翼半径的20-30%）是可以接受的。如图7所示，增加这一限制将惩罚直接传动系，并导致齿轮传动系优于直接传动系。然而，对于整机来说，超过此半径限制的性能损失并没有得到很好的量化，因此在以下传动系比较中被相应地忽略了。

图8显示了没有半径限制的电机传动系统的结果。部分由于电机数量的原因，电机传动系统重量对整机最大起飞重量有显著影响，这导致轻质、低效率的解决方案是最优的。由于整机上的电机数量，单个电机重量的小幅增加可能会导致整体飞机重量的大幅增加。齿轮传动和直接驱动电机传动系统的可实现性能相似，但一些齿轮传动解决方案在同等重量下提供了更高的效率。

图8根据估计的Δ（MTOW）轮廓无约束电机传动系解决方案

图9 根据估计的Δ（MTOW）轮廓无约束发电机传动系解决方案

基于MTOW的最佳直接驱动电机传动系统解决方案具有略高的效率，从而降低了发电机和发动机的功率要求。这可以在图9中看到，与齿轮传动结构相比，直接传动结构在减轻重量的情况下实现了更高的发电机传动系统效率。在发电机设计之前选择效率较低的齿轮传动电机，对齿轮传动系统的性能降低做出了重大贡献。发电机和电机传动系统的共同优化可能会导致比这里提出的结果更优的解决方案。

使用基于估计的最小整机MTOW电机和发电机的最优解，使用NPSS和NPSS动力系统库对动力系统进行更详细的建模。表2显示了每种动力总成结构的关键重量和性能比较。

接下来，比较了两种动力总成设计在UAM任务中的净性能。图10显示了任务每个部分的净效率，表明在爬升和巡航期间，齿轮传动系的效率大致等于直接传动系，在任务的剩余时间内降低了1-2%。这是由于估计的最佳电机传动系解决方案是齿轮传动系的效率较低，需要较低效率的发电机才能保持与重量的竞争力。然而，在较低的功率设置下，这种损失并不显著。